CN105222980B - 一种风洞洞体抽真空系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风洞洞体抽真空系统，该系统由多级气冷式罗茨泵机组、一组热交换器、消声器，溢流阀、逆止阀等部件组成，所述气冷式罗茨泵上部有一个进气口，下部有一个排气口，在罗茨泵的两侧还各设置了一个返冷气口，以在高压差下运行时保持泵本身的热平衡，当与罗茨泵机组后端连接的进气口压力高于机组排气压力时，则部分被抽气体直接由溢流阀排入消声器，经消声器直接排入大气；另一部分被抽气体经逆止阀及消声器排入大气。该系统的真空热交换器主要由壳体、传热管和防返流阀组成，同时该系统还采用PLC控制技术和变频器技术，使真空系统能根据入口压力来自动调整抽速。

Description

一种风洞洞体抽真空系统

技术领域

本发明涉及一种风洞洞体抽真空系统，具体地涉及一种采用大型的、耐高压差气冷罗茨真空泵的风洞洞体抽真空系统。

背景技术

罗茨泵广泛用于真空冶金工业的真空脱气、真空熔炼、钢水真空处理，以及空间模拟、低密度风洞等装置中抽除非腐蚀性气体。也可用于化工、食品、医药、电器制造等工业的蒸馏、蒸发、干燥等生产过程。

罗茨真空泵的结构是由泵壳体、转子、传动部分组成。泵的转子与转子和泵壳之间，存在一定的间隙，其间隙值和相对转动位置由转子的较高加工精度和同步转速来保证。其转子的型线种类很多，如圆弧型、渐开线型、摆线型、综合线型等，不同型线的转子制造的真空泵，它们的容积系数不同，因此真空泵的抽气量、真空度均不同。一般来说，罗茨泵具有以下特点：1、在较宽的压力范围内有较大的抽速；2、设有旁通溢流阀可在大气压力下启动，缩短了抽气时间；3、转子之间，转子与泵腔壁之间有间隙，泵内运动件无摩擦，不必润滑，腔壁内无油；4、转子形状对称，动平衡性能良好，运动平稳，选择高精度的齿轮传动，运动时噪声低；5、结构紧凑，占地面积小，通常选卧式结构，泵腔内气体垂直流动，有利于被抽的灰尘和冷凝物的排除；6、选择适宜的转子型线和精细的研磨加工，可获得较高的容积效率；7、运转维护费用低。罗茨泵的缺点是泵的转子制造困较难，抽除氢气的效果不如油增压泵高。

风洞实验是航天飞行器研制工作中的一个不可缺少的组成部分。它不仅在航空和航天工程的研究和发展中起着重要作用，随着工业空气动力学的发展，在交通运输、房屋建筑、风能利用和环境保护等部门中也得到越来越广泛的应用。随着国家节能减排方针的出台，一大批高能耗、高污染的真空设备将会被淘汰，低能耗、低污染的真空设备将会出现并代替之，同时这种设备也是未来的发展趋势。

风洞试验时与洞体相连的真空罐体积巨大，有的达7500立方米甚至10000多立方米，并对抽气时间有严格的控制，要求1个小时内把真空罐内的压力从大气压抽到200Pa,在做试验时，要求真空系统的入口压力为100-5000Pa时，真空系统的抽气速率不少于51000L/S(质量流率不少于540克/秒)；并且在不同压力状态下，对真空系统的抽气速率有不同的要求，即当风洞洞体内的压力变化时，真空系统的抽气速率也必须立即跟着变化，这就意味着此真空系统必须要抽速大、且有一定的智能，具备自动调整能力。

目前，国外风洞的驱动系统主要有罗茨水环真空机组、罗茨滑阀真空机组或风机，为达到上述的性能要求，需要几十套同样的真空机组并联后才可使用，这样配置造成机组占地面积大，控制系统复杂，投资成本高。比如奔驰公司的汽车风洞，驱动机组的电动总功率高达4000kW，建造一个这样规模的汽车风洞往往需要耗资数亿美元，甚至10多亿。

国内的风洞驱动系统普遍采用外国的普通罗茨水环真空机组、罗茨滑阀真空机组的配置方式来满足风洞试验的需要，但由于国内普通罗茨真空泵的最大允许压差比国外的普通罗茨泵的最大允许压差小，仅为20-60Torr左右，必须由前级泵将系统抽到很高真空度后才能起动罗茨真空泵，因此预抽时间比较长，必须增大前级泵的抽速才能满足风洞试验，相比国外的真空机组进一步增加了成本及能耗。现有技术大多采用液环泵+气冷罗茨真空泵+带旁通阀罗茨真空泵+带旁通阀罗茨真空泵的四级机组的配置方式，但由于液环泵工作液的温度控制问题及排污问题都会增加投资成本及运行成本。

发明内容

为了克服现有技术存在的上述问题，本发明提出一种风洞洞体抽真空系统，该系统与普通的罗茨真空泵不同，它采用的气冷罗茨真空泵的最大压差须能承受8.7×10⁴Pa，因此泵不但有一个进气口和一个排气口，而且为了在高压差下运行时保持泵本身的热平衡，在泵的两侧各设置了一个返冷气口。在高的入口压力下，由于分子的自由程较短，为减少气体分子的返流设计了一种较宽齿顶的转子型线。为保证运转过程中总间隙一定的情况下,最大地提高抽气效率并能使泵安全长期运行，泵的轴承的活动端采用了消除轴承游隙的结构来轴向固定。

本系统罗茨泵的溢流阀的排气口尺寸与泵进行了匹配计算、溢流阀内的阀芯导向、密封、重量问题，解决真空系统在工作过程中产生过压缩导致泵及电机负荷极度上升的现象。

风洞洞体抽真空系统停机时，由于系统泵内及管道处于真空状态，外界气体反流到泵内，造成泵突然反转，对泵零部件的冲击力比较大，使泵的可靠性降低。通过对不同型号泵排气时的气流状态分析，考虑泵在排气时所承受的压力，我们设计一种逆止阀，逆止阀安装在系统前级泵的排气口及消音器之间，它可以改变系统泵排气的气流状态，减少排气噪声，还可以在系统停机时防止外界气体进入系统内，避免了由于外界气体对系统的冲击而造成的伤害，而且还使系统内部处于真空状态，可有效减缓系统内部物质的氧化反应，延长系统的使用时间。

本发明提出的一种风洞洞体抽真空系统能够实现如下有益效果：

1、增大系统抽速

本系统的最大抽速可达60000L/S以上，并且抽速从0-60000L/S范围可调，为国内最大的气冷式罗茨泵机组。并系统采用多套气冷式罗茨泵组合的方法，通过电气控制柜控制，使泵可同时变频起动，满足工艺需大抽速时要求，又减少泵起动时对电网的电流冲击；当工艺要求抽速较小时，可停用几台泵或通过变频调速来控制泵的转速，达到抽速变小的且节能省电的目的。

2、降低系统噪音

本发明运用了全新消音技术，它在低、中、高频所有的频段上都有很好的消声效果，特别适用于在气冷式罗茨真空泵上使用。通过试验及检测，在气冷式罗茨真空泵的排气口接上此消音器后，其对低、中、高所有频段的噪声都有很好的消声效果，总消声量在30dB(A)以上，且结构简单、体积小、气流阻力小。

此热交换器设置了防返流阀，它利用了“缝隙消声原理”，当通过泵的气体流量较少时，阀的开度小，形成一个环形缝隙，当声波到达缝隙处，噪声在截面突变处有一部分向声源方向反射回去，还有一部分声能由于声波在缝隙处发生剧烈磨擦而转化为热能，剩下的部分声波通过缝隙成为透射波继续传播下去，从而达到消声目的。采用此方法后，消声量约8-10dB(A)。通过采用针对气冷式罗茨中低频噪音而研发的新型消音器和带有消音与止回防返流相结合的执交换器，进一步降低了真空系统的噪音，极限时实测噪音为92dB(A)。

3、系统自适应功能

根据实际工艺流程的要求，通过对入口压力、温度和功率等反馈数据的监控，在工艺流程各个时段自动提供所需的不同的真空环境；并且在面对突发的气流冲击时，系统能快速、自动地调控系统的抽速，适应气流变化，保证所提供的真空环境的稳定性。

4、提高泵体散热效率

传统的热交换器都是接在泵的排气口，存在泵排气阻力增大、管路流导变小等缺点。本发明的热交换器不是真接接在泵的排气口，而是接在泵的返冷气路上，被抽气体可通过排气口直接排至外界大气，中间无任何物体阻挡。而在排气管上接一个四通管，其中二个接口接热交换器，二个热交换器再分别与二支返冷气口相连，部分气体经热交换器冷却后，通过返冷气管进进入泵腔内，冷却泵腔温度，达到降温的目的。

附图说明

图1是现有技术的普通罗茨泵的结构示意图。

图2是本发明的气冷式罗茨泵的结构示意图。

图3是本发明的风洞洞体抽真空系统示意图。

附图标记如下：

1一级罗茨泵、2.二级罗茨泵、3.三级罗茨泵、4.四级罗茨泵、5.五级罗茨泵、6.一级热交换器、7.二级热交换器、8.三级热交换器、9.四级热交换器、9A.五级热交换器、10.消声器、11.气动高真空挡板阀、12.气动高真空挡板阀、13.压力传感器、14.温度传感器、15.水压控制器、16.溢流阀、17.逆止阀。

具体实施方式

本发明的风洞洞体抽真空系统是由一台一级罗茨泵1、一台二级罗茨泵2、一台三级罗茨泵3、一台四级罗茨泵4、一台五级罗茨泵5串联而成的真空抽气机组。根据需要该系统还配有一台一级热交换器6、一台二级热交换器7、一台三级热交换器8、一台四级热交换器9、一台五级热交换器9A、一台消声器10组成。

本发明的工作原理如下：被抽气体经一级罗茨泵1、二级罗茨泵2至三级罗茨泵3，当三级罗茨泵3进气口压力高于机组排气压力时，则部分被抽气体直接由溢流阀16排入消声器，经消声器直接排入大气；接着被抽气体经三级罗茨泵3至四级罗茨泵4进气口，当四级罗茨泵4进气口压力高于机组排气压力时，则部分被抽气体直接由溢流阀(图3未示出)排入消声器10，经消声器10直接排入大气；然后被抽气体经四级罗茨泵4至五级罗茨泵5进气口，当五级罗茨泵5进气口压力高于机组排气压力时，则部分被抽气体直接由溢流阀(图3未示出)排入消声器10，经消声器10直接排入大气；最后被抽气体经五级罗茨泵5、逆止阀17及消声器10排入大气。

通过图1和图2可以看出，本发明的气冷式罗茨泵不但有一个进气口(上部)和一个排气口(下部),而且为了在高压差下运行时保持泵本身的热平衡,在泵的两侧还各设置了一个返冷气口。在高的入口压力下，由于分子的自由程较短，为减少气体分子的返流设计了一种较宽齿顶的转子型线。这样，当泵在高压差下工作时，冷的气体通过两侧面的返冷气口进入泵腔，降低泵内部的温度，保证泵能高效稳定工作。与普通罗茨泵最大承受压差4000Pa相比，其最大承受压差能达8.7×10⁴Pa，因此采用本发明的罗茨泵后，起动压力由原来的4000Pa大大提高到8.7×10⁴Pa，缩短了真空系统的抽气时间，提高了生产效率。

此外，本发明的逆止阀17主要由阀体、砝码、阀盖、导杆、压板组成，其作用是：1)当真空系统停机时，其阀门自动关闭，保证真空系统处于真空状态，避免外部气体进入补抽系统，污染被抽系统；2)避免外部气体进入真空系统，由于气流的影响，造成罗茨泵转子突然反转而引起的冲击；3)真空系统运行时，当泵排气口的压力过高时，超过设定压力时，由于压力的作用，顶开砝码，气体从此阀排气口排出，达到泄压的目的，解决真空系统在工作过程中产生过压缩导致泵及电机负荷极度上升的现象。其砝码运行方式：通过导杆上下滑动，其他密封方式是：在砝码底面设有密封垫，在砝码自重及真空负压的双重作用下，砝码紧压在阀体的密封面上，达到密封的目的。砝码重量的确定：为达到溢流泄压的目的，此砝码的重量应越轻，泵排气口的受力越接近大气压，因此阀排气口与外界大气相通，因此砝码的起跳压力大于大气压，排气口顶出压力小越小，泵因过压缩导到电机负荷上升也越小，泵运行的可靠性增加。因此我们要保证强度的前提下，砝码采用聚四氟乙烯材料，重量轻又能达到防止腐蚀的目的。

此外，系统采用PLC技术结合人机界面技术实现了真空系统的智能监测和控制,主要具备以下功能特点:

系统电控设计采用PLC，加I/O、A/D扩展模块进行手动、自动控制。可满足自动顺序开车、停车。同时满足逐级手动调试的要求。

系统PLC提供标准通讯接口，可与集控室上位机进行通讯，作远程数据采集、监控，扩展控制空间。

系统电气控制具有冷却水、泵电机过流、过载、堵转、短路、超温及PLC内部故障报警及保护。

系统现场控制柜具有醒目的各泵运行及故障报警提示，便于现场维修人员及时发现和排除故障。

系统对大功率电机采用变频器，可对电机进行变频起动，实现调速，消除转矩浪涌并降低电机起动时对电网的冲击，可根据系统的入口压力，能自动调速，控制真空系统的转速，以适应被抽系统的工艺需求，并可节能降耗。

本发明的风洞洞体抽真空系统还包括一种真空热交换器，此交换器主要由壳体、传热管和防返流阀组成。真空热交换器设置了防返流阀，罗茨泵停车时，防返流阀在气流作用下迅速关闭，热交换器中的气流停止了流动，从而阻止了冷凝液的返流。系统的气冷式罗茨泵在高压差下工作，由于气体压缩，排气温度高，造成泵温升高，泵腔内部温度可达120多度，对泵及系统的性能及可靠性能造成极大影响，因此在排气口处增加一个冷却器，冷却器来解决高压差下气体的发热问题，部分气体经热交换器冷却后，通过返冷气管进进入泵腔内，冷却泵腔温度，达到降温的目的。

因系统组成的气冷式罗茨泵是一种干泵，泵腔内壁洁净无油，并采用充氮气或PDR密封方式结构，彻底隔断润滑腔与抽气腔(泵腔)，所以采用全气冷式罗茨真空泵组成真空抽气系统，进行合理的配置就可实现无油洁净的真空抽气系统。

本发明还采用了一种全新消音器，在低、中、高频所有的频段上都有很好的消声效果，特别适用于在气冷式罗茨真空泵上使用。该缝隙型复合消声器由法兰、阀板和轻型弹簧组成，阀板借助于弹簧压紧在法兰上，气流通过时顶开阀板，在阀板与法兰间产生缝隙。膜片式缝隙型消声器由法兰、消声膜片、压板和螺栓组成，开有十字形或米字形切口的消声膜片用压板和螺栓固定在法兰上，气流通过时柔性消声膜片的十字形或米字形切口翻起，形成一个十字形或米字形缝隙。阻性消声器由消声器体、超细玻璃棉毡、内壁和弹簧组成。玻璃棉毡包在内壁上，由弹簧压紧在消声器体内。复合消声器的缝隙都是可以随气流大小自动调节的，所以气流阻力损失很少。

当单级气冷式罗茨泵和气冷式罗茨泵机组的末级罗茨泵运行在气体量较少时，压差很大，罗茨泵的噪声较高，而且是以比较难处理的中、低频噪声为主。上述真空热交换器中的防返流阀就显示出了其特殊作用，它利用了“缝隙消声原理”，当通过泵的气体流量较少时，阀的开度小，形成一个环形缝隙，当声波到达缝隙处，噪声在截面突变处有一部分向声源方向反射回去，还有一部分声能由于声波在缝隙处发生剧烈磨擦而转化为热能，剩下的部分声波通过缝隙成为透射波继续传播下去，从而达到消声目的。采用此方法后，消声量约8-10dB(A)。通过采用针对气冷式罗茨泵中低频噪音而研发的新型消音器和带有消音与止回防返流相结合的执交换器，进一步降低了真空系统的噪音，极限时实测噪音为92dB(A)。

Claims (7)

1.一种风洞洞体抽真空系统，该系统由多个不同功率的分级气冷式罗茨泵串联成的机组、一组热交换器、消声器、溢流阀和逆止阀组成，所述气冷式罗茨泵上部有一个进气口，下部有一个排气口，其特征在于：所述机组由一台一级罗茨泵、一台二级罗茨泵、一台三级罗茨泵、一台四级罗茨泵、一台五级罗茨泵串联而成，所述一组热交换器由一台一级热交换器、一台二级热交换器、一台三级热交换器、一台四级热交换器、一台五级热交换器组成；

所述气冷式罗茨泵具有齿顶加宽的转子型线，在气冷式罗茨泵的两侧各设置了一个返冷气口，以在高压差下运行时保持泵本身的热平衡，当与罗茨泵机组后端连接的进气口压力高于机组排气压力时，部分被抽气体直接由溢流阀排入消声器，经消声器直接排入大气；另一部分被抽气体则经逆止阀及消声器排入大气；

所述热交换器由壳体、传热管和防返流阀组成，热交换器接在泵的返冷气路上，被抽气体通过排气口直接排至外界大气，在排气管上接一个四通管，其中二个接口接热交换器，二个热交换器再分别与二支返冷气口相连，部分气体经热交换器冷却后，通过返冷气管进入泵腔内，从而冷却泵腔温度，真空热交换器还设置了防返流阀，罗茨泵停车时，防返流阀在气流作用下迅速关闭，热交换器中的气流停止了流动，从而阻止了冷凝液的返流；

被抽气体经一级罗茨泵、二级罗茨泵至三级罗茨泵，当三级罗茨泵进气口压力高于机组排气压力时，则部分被抽气体直接由溢流阀排入消声器，经消声器直接排入大气；接着被抽气体经三级罗茨泵至四级罗茨泵进气口，当四级罗茨泵进气口压力高于机组排气压力时，则部分被抽气体直接由溢流阀排入消声器，经消声器直接排入大气；然后被抽气体经四级罗茨泵至五级罗茨泵进气口，当五级罗茨泵进气口压力高于机组排气压力时，则部分被抽气体直接由溢流阀排入消声器，经消声器直接排入大气；最后被抽气体经五级罗茨泵、逆止阀及消声器排入大气。

2.如权利要求1所述的风洞洞体抽真空系统，其特征在于：逆止阀由阀体、砝码、阀盖、导杆、压板组成，真空系统运行时，当泵排气口的压力过高时，超过设定压力时，由于压力的作用，顶开砝码，气体从此阀排气口排出。

3.如权利要求1所述的风洞洞体抽真空系统，其特征在于：所述消声器为缝隙型复合消声器，该缝隙型复合消声器由法兰、阀板和轻型弹簧组成，阀板借助于弹簧压紧在法兰上，气流通过时顶开阀板，在阀板与法兰间产生缝隙。

4.如权利要求1所述的风洞洞体抽真空系统，其特征在于：所述消声器为膜片式缝隙型消声器，该膜片式缝隙型消声器由法兰、消声膜片、压板和螺栓组成，开有十字形或米字形切口的消声膜片用压板和螺栓固定在法兰上，气流通过时柔性消声膜片的十字形或米字形切口翻起，形成一个十字形或米字形缝隙。

5.如权利要求1所述的风洞洞体抽真空系统，其特征在于：所述消声器为阻性消声器，阻性消声器由消声器体、超细玻璃棉毡、内壁和弹簧组成，玻璃棉毡包在内壁上，由弹簧压紧在消声器体内，复合消声器的缝隙可随气流大小自动调节。

6.如权利要求1所述的风洞洞体抽真空系统，其特征在于：采用PLC技术结合人机界面技术实现真空系统的智能监测和控制。

7.如权利要求1所述的风洞洞体抽真空系统，其特征在于：罗茨泵内腔采用充氮气或PDR方式密封。